受激布里渊散射和半导体激光二极管产生频率梳（InGaAsP/InP）*

1. 概述

        近年来，光学频率梳显示出很大的潜力，成为计量、信号处理和电信领域的革命性工具。本论文记录了我们对单节半导体激光二极管作为一种便携式、稳健的频率梳源的研究，该频率梳源具有适当的带宽和光谱相干性，可用于光谱应用。我们之前对受激布里渊散射的理论研究证明了脉冲和级联配置中行波模型的预测能力，包括布里渊频率梳生成的计算。利用这些知识，建立了半导体激光二极管的综合理论模型，包括全载流子动力学、腔效应和非线性相移。然后，研究了激光二极管频率梳产生的物理和基本机制，重点研究了在没有任何饱和吸收体的情况下输出的频率调制特性。最后，根据我们的理论模型指定的设计，制作并表征了工作在1.55µm和1.3µm的InGaAsP/InP量子阱激光二极管。所制造的激光器表现出如预测的梳状行为，在1.55µm和1.3µm处产生带宽约为1THz、RF线宽为100-250 kHz的梳状。这些源在光谱学和其他频率梳应用中显示出很大的前景，为真正实用的频率梳源集成在便携式系统中铺平了道路。

2. 样品制备：InGaAsP/InP激光器

        采用外延定制InP/InGaAsP材料（来自中芯晶研）以制备1.55µm和1.3µm激光器，具体结构如下表。

        首先，需要刻蚀InGaAs顶层和InP覆盖层。然后，需要制造一些绝缘和钝化层，以保护脊的边缘免受任何不需要的电流或施加的电势的影响。因此，需要使用二氧化硅进行钝化，并帮助晶片表面平坦化。

        通过改变QW层的半导体成分设计了三种不同的激光器。激光器设计包括四个在1550nm发射的相同QW、一个在1550 nm扩展激光器带宽的不对称设计和一个1310 nm激光器。使用标准光刻技术、反应离子蚀刻和金属化来制造脊形波导，用解理面完成器件，这些解理面形成法布里-珀罗腔。InGaAsP/InP激光器制备的步骤大致如下图所示：

图1 InP蚀刻制造工艺                                              图2 氧化硅钝化和平面化制造工艺

3. 结论

        我们进行了基于InGaAsP/InP的激光二极管的实验制造和设计，成功地表征了它们的光谱由大约1THz带宽的频率梳组成，并且与大约200kHz的RF线宽具有良好的相干性。

        对于将来的实验和应用：1.55µm的梳可以很容易地用掺铒放大器放大（1.064µm的梳子可以用镱放大），并在单模光纤中进行色散补偿，以形成直接用于光谱学的脉冲。或者，在放大后，脉冲可以通过非线性晶体倍频到800nm，从而扩大了它们在光谱学中的用途。对于工作波长小于1.3µm的梳，色散补偿可能更为棘手，因为光纤在波长小于1.3μm时不会出现异常色散，但仍然可以通过色散偏移光纤来实现。额外的测量包括自相关，它可以区分输出是脉冲的还是调频的，以及建立绝对光谱测量的光学线宽和相干性的光学外差。

        虽然与光纤或钛宝石锁模激光器相比，这些光源存在一些潜在的缺点，但有一些主要的补偿措施有助于缓解这些缺点。激光二极管频率梳通常具有较低的输出功率，但如前所述，它们可以用掺铒或掺镱光纤放大，并在同一光纤系统中进行被动色散补偿。这消除了自由空间组件，如移动光栅和反射镜，更关键的是，完全消除了可饱和吸收体，极大地简化了系统的设计。发现锁模状态大多是自动的，而且用激光二极管梳更健壮。另一个可能存在问题的问题是，一旦激光器被切割，梳状间隔就缺乏可调谐性。然而，可以通过将几个不同腔长的激光二极管（额外成本可忽略不计）集成到同一个系统中来缓解这种情况，该系统可以选择性地打开和关闭。虽然这减少了我们对频率梳间距的选择，但移动机械部件的消除大大提高了在现场使用这些梳的稳定性和可行性。

        对于将来的理论工作：可以将激光模型扩展到双梳光谱和计算组合独立激光二极管输出的效果等应用。此外，还可以包括半导体量子阱增益介质的全多体计算，同时保持行波。这种方法需要使用考虑库仑相互作用和屏蔽、载流子散射和能带结构计算的半导体布洛赫方程。这样的计算并非微不足道，因为所有载波方程现在都将与其他载波方程耦合，这可能需要更复杂的数值计算方案。

        总体的主要意义是，科学和工业研究人员现在可以更容易地使用这些波长的所有频率梳应用。基于激光二极管的频率梳相对便宜且固态，因此可以安装在车辆和机器人上，极大地增强了军事和国家安全应用，如爆炸和生化武器检测。此外，它们可以部署在无人机上或手持设备上，用于民用应用，如大气传感或化学和生物计量。

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